Get best of the week

Gears of war: cuando las computadoras analógicas mecánicas gobernaban el mar


Advanced Gun System (izquierda) fue creado como un reemplazo para cañones de acorazados de 16 pulgadas (derecha). Además de los misiles guiados por GPS, los tecnólogos digitales de control de incendios de AGS realizan la misma tarea que los acorazados Iowa Rangekeeper Mark 8, solo tienen menos peso y menos personas trabajan con ellos.

El último destructor de Zumwalt, actualmente sometido a pruebas de aceptación, tiene un nuevo tipo de artillería naval a bordo: el Advanced Gun System (AGS). El AGS automatizado es capaz de disparar hasta 10 proyectiles de precisión con aceleración de cohete por minuto a objetivos a una distancia de 100 millas.

Estos proyectiles utilizan GPS y un sistema de guía inercial para aumentar la precisión de la pistola a la circunferencia de un posible error de 50 metros (164 pies). Esto significa que la mitad de estos proyectiles guiados por GPS caerán dentro de esta distancia al objetivo. Pero si quita las elegantes carcasas con GPS, entonces el AGS y su sistema digital de control de incendios no serán más precisos que la tecnología analógica mecánica, que casi ha cambiado un siglo.

Me refiero a las computadoras de control de incendios analógicas electromecánicas, como la Ford Mark Mark 1A Fire Control Computer y Mark 8 Rangekeeper. Estas máquinas podían realizar cálculos continuos y en tiempo real con 20 o más variables mucho antes de que las computadoras digitales llegaran al mar. Cuando serví a bordo del acorazado de Iowa a fines de la década de 1980, todavía estaban en uso.

Durante mi vida, se han realizado varios intentos para combinar o reemplazar estos sistemas digitales heredados. Destacaba uno de ellos (Advanced Gun Weapon System Technology Program), que parecía un proyectil AGS con un alcance de 100 millas: un proyectil en forma de dardo de 11 pulgadas con GPS y guía de inercia, encerrado en una caja desmontable de 16 pulgadas (paleta), capaz de Debido al gran calibre de los cañones del acorazado, vuela casi la misma distancia sin aceleración de cohete.

Entonces, ¿por qué la Marina tomó el camino de la "digitalización" de grandes cañones de acorazados? Le hice esta pregunta al capitán retirado de la Marina, David Boslow- Ex Director de la Oficina del Programa de Computadora Táctica Embebida de la Marina. Si alguien sabe la respuesta, entonces este es Boslow. Jugó un papel importante en el desarrollo del Sistema de Datos Tácticos de la Marina, el precursor de los sistemas modernos Aegis, el antecesor de todos los sensores digitales y sistemas de control de incendios.

"Una vez, mi comité fue comisionado para estudiar las perspectivas de modernizar los sistemas de control de incendios de los acorazados de clase Iowa de computadoras analógicas a digitales", dice Boslow. "Descubrimos que la digitalización de las computadoras no aumentará ni la confiabilidad ni la precisión del sistema y emitimos una recomendación para no realizar cambios". Incluso sin computadoras digitales, el Iowa podría disparar con precisión mortal proyectiles "estúpidos" de 2.700 libras (1.225 kg) a unas 30 millas con un diámetro de un probable error de 80 metros. Algunas conchas de acorazado tenían un diámetro mayor de la lesión.

Pero, ¿cómo fue la caja con engranajes, levas, bastidores y pasadores capaces de realizar cálculos balísticos en tiempo real basados ​​en ecuaciones diferenciales con docenas de variables? ¿Cómo logró un coloso con un Volkswagen Beetle alcanzar un objetivo más allá del horizonte? ¿Y por qué estos dispositivos de metal y grasa superaron a los sistemas digitales durante tanto tiempo? Comencemos con una breve excursión a la historia de la balística de los acorazados y las películas de entrenamiento de la Armada, demostrando el proceso de operación de las computadoras analógicas.

A lo largo de la trayectoria


Disparar un arma desde un barco no es una tarea fácil. Además de los problemas habituales que encuentra la balística: el cálculo de la potencia de un disparo, la altitud de puntería, la corrección del viento y el efecto Coriolis, se agrega el hecho de que el disparo es desde una plataforma que cambia constantemente el tono, la guiñada y la posición. Si tiene suerte y el objetivo está inmóvil, entonces, debido a la cantidad de variables, esto todavía es comparable a tratar de golpear al objetivo con una bola de agua sentada en la parte posterior de un canguro saltando.

Disparar a objetivos en el radio de visión de una nave es un circuito de retroalimentación. Apuntamos, calculamos el movimiento relativo del objetivo y otras condiciones balísticas, disparamos, vemos dónde golpeó el proyectil y ajustamos los parámetros. Disparar objetivos más allá del horizonte es aún más difícil. Se requiere un observador, que proporcione coordenadas geográficas precisas y fuego correctivo, dependiendo de dónde golpeen los proyectiles.

En la era anterior a la invención de las torretas de armas, los barcos disparaban desde los costados. El ajuste se realizó principalmente según el lugar donde los proyectiles golpearon y esperaron hasta que el lado que miraba al enemigo no se levantara. Pero con la llegada de los acorazados y cruceros de batalla a principios del siglo XX, el alcance y la letalidad de las armas del barco aumentaron significativamente. Sin embargo, ahora necesitaban mucha más precisión.

Esta necesidad era consistente con el desarrollo de computadoras analógicas. Los astrónomos han utilizado computadoras mecánicas analógicas durante siglos para predecir la ubicación de las estrellas, eclipses y fases lunares. La primera computadora analógica mecánica conocida por nosotros es el mecanismo anticitera , que data de alrededor del año 100 a. C. Pero hasta hace poco, nadie tenía idea de usar computadoras para matar personas.

Para realizar los cálculos, las computadoras analógicas utilizan un conjunto estándar de dispositivos mecánicos, dispositivos del mismo tipo que convierten el par generado por el motor del automóvil en la rotación de las ruedas, el movimiento de válvulas y pistones. Los datos en las computadoras analógicas se "ingresan" continuamente, generalmente girando los ejes de entrada. El valor matemático está vinculado a una rotación completa del eje 360 ​​grados.

En los días de los antiguos griegos, la entrada de datos se realizaba girando la rueda. En las computadoras analógicas más modernas, las variables de datos del sensor (velocidad, dirección, velocidad del viento y otros parámetros) se transmitían a través de conexiones electromecánicas: señales de sincronización de giroscopios y giroscópicos giroscópicos, sistemas de seguimiento y sensores de velocidad. Las constantes, por ejemplo, el tiempo transcurrido, fueron introducidas por motores eléctricos especiales a una velocidad constante.

Para convertir los ejes en un conjunto continuo de resultados de cálculo, los conecté a todos un conjunto de engranajes, levas, cremalleras, pasadores y otros elementos mecánicos que convierten el movimiento en cálculos matemáticos utilizando principios geométricos y trigonométricos. Además, se produjeron funciones "hard-set" que almacenan los resultados de cálculos más complejos en sus formas hechas con precisión. Al trabajar juntos, estos detalles calcularon instantáneamente una respuesta muy precisa a un conjunto específico de preguntas: ¿dónde estará el objetivo cuando llegue a una gran bala que empujo fuera de un cañón estriado de 68 pies (21 metros), y adónde necesito apuntar para que llegue allí? ¿golpear?

Con un ensamblaje perfecto, las computadoras analógicas pueden responder a estas preguntas con mucha más precisión que las computadoras digitales. Dado que usan datos físicos y de entrada en lugar de digitales, pueden describir curvas y otros elementos geométricos de cálculos con un nivel infinito de resolución (sin embargo, la precisión de estos cálculos depende de la calidad de fabricación de las piezas y disminuye debido a la fricción y el deslizamiento). Al mismo tiempo, se descartan dígitos no menos significativos, y las respuestas se dan continuamente y no dependen de los relojes sincronizados para el próximo cálculo.

Codificación en metal


La parte más fundamental de cualquier computadora analógica mecánica son sus engranajes. Usando combinaciones de engranajes de diferentes tipos, una computadora analógica es capaz de realizar funciones matemáticas tan simples como la suma, resta, multiplicación y división.

Relaciones de engranajes: el uso de dos engranajes que tienen una relación específica de circunferencia, esta es la forma más sencilla de realizar cálculos utilizando mecanismos. Se pueden usar para aumentar o disminuir los valores de entrada o salida, o para aplicar multiplicadores constantes de datos de entrada a otros cálculos. Por ejemplo, si gira un eje, cuya relación con otro eje es de 2 a 1, entonces el eje de salida girará la mitad de las veces.

Los sistemas de transmisión de piñón y cremallera, como los utilizados para conducir un automóvil, también se utilizan en computadoras analógicas para convertir el movimiento de rotación en datos de salida lineal; mueven geométricamente datos o componentes leídos para resolver otros tipos de cálculos en una tarea balística.

Puede comprender cómo funcionan sistemas de engranajes similares en computadoras analógicas, a partir de un fragmento de la película de entrenamiento de 1953 sobre la Marina dedicada a las computadoras de control de incendios:


Ejes y engranajes de una computadora de control de incendios.

Los engranajes del diferencial de los automóviles están diseñados para que las ruedas giren a diferentes velocidades. Pero en las computadoras analógicas, realizan una función diferente: proporcionan la capacidad de realizar sumas y restas mecánicas. Un conjunto de engranajes diferenciales instalados entre dos ejes de entrada con los mismos engranajes siempre realizará giros, que son el promedio matemático de los giros de dos ejes de entrada; Si multiplicamos este promedio por dos, obtenemos la suma algebraica de dos valores de entrada. Por ejemplo, si un eje de entrada gira tres veces hacia adelante y el otro gira una vez hacia adelante, entonces los engranajes diferenciales giran el eje conectado a ellos dos veces, es decir, la mitad de su suma: cuatro.


, .

Todo esto es maravilloso cuando se trata de matemáticas simples. Pero para funciones de un nivel superior, por ejemplo, para calcular las curvas de una trayectoria balística o la influencia del efecto Coriolis en proyectiles de vuelo largo, las computadoras analógicas requieren detalles más complejos. Algunas de estas funciones se pueden realizar mediante levas: superficies giratorias hechas de tal manera que "almacenen" respuestas para un rango de valores. Las levas simples pueden almacenar el rango de respuestas dependiendo de una variable, por ejemplo, convirtiendo la rotación de entrada en datos de salida trigonométricos o logarítmicos usando un pin conectado al riel. Las cámaras de batería tridimensionales más complejas pueden almacenar respuestas a funciones complejas con dos variables, como los cálculos de volumen rotacional. Se muestra un ejemplo en este clip de película:


Las cámaras son funciones almacenadas de la computación analógica.

Todos estos componentes eran bien conocidos por los creadores de las primeras calculadoras astronómicas, sin embargo, el método de su fabricación no podía proporcionar una precisión ni siquiera cercana a la precisión que las herramientas de la era industrial pueden lograr. Pero hay otro componente mecánico que combina todo lo que necesita para los complejos cálculos necesarios para predecir la posición de un objetivo en la computación balística: un integrador. Este dispositivo utiliza varias velocidades de rotación del disco giratorio, que se utiliza como engranaje diferencial ajustable continuamente.

El integrador, desarrollado por primera vez por el profesor James Thompson de Belfast en 1876, fue perfeccionado por su hermano Lord Kelvin como elemento de un "analizador de armónicos".


"Harmonic Analyzer" de Lord Kelvin con integradores de disco.

Lord Kelvin utilizó un analizador de armónicos para aislar varios factores que influyen en los patrones de mareas para que puedan predecirse en el futuro. La computadora recibió dos valores de entrada: el tiempo se representó como rotación a una velocidad constante, y la altura de la marea se monitoreó a partir de la grabación usando una aguja mecánica. Las cuerdas y poleas generaron salida dibujando una curva en un rodillo de papel. La Armada británica se enamoró de la computadora de mareas de Kelvin porque le permitió recopilar datos históricos de mareas registrados en cualquier parte del mundo y luego crear tablas de mareas en mucho menos tiempo. Más de medio siglo después, las computadoras de marea de Lord Kelvin ayudaron a planificar los desembarcos aliados en Normandía., haciendo así una contribución directa al resultado de la Segunda Guerra Mundial.

Además de las mejoras que mejoran su confiabilidad en entornos marinos hostiles, las computadoras de control de incendios utilizadas hasta fines de la década de 1990, de hecho, permanecieron funcionalmente iguales a las utilizadas por Lord Kelvin. Se muestran en el video a continuación. Hannibal Ford, quien desarrolló las computadoras de control de incendios Rangekeeper y Mark 1, inventó este integrador mejorado, que utilizaba un par de bolas en el tren de rodaje para transmitir información de rotación desde el plato giratorio.


El integrador de tipo disco, similar al utilizado en la computadora de control de incendios Mark 1, es similar en función y diseño al integrador de Lord Kelvin.

Red informática (control de incendios)


Los "sistemas de control de incendios" de la Primera Guerra Mundial eran en su mayoría dispositivos separados conectados por personas que gritaban información por teléfono e intercomunicador. Los únicos datos que ingresaron al Rangekeeper Mark I automáticamente fueron el rumbo del barco transmitido por el repetidor de girocompás. La situación cambió en la próxima década, cuando las flotas del mundo dominaron mejor con un nuevo producto llamado "electricidad".

El Acuerdo Marítimo de Washington de 1922 durante casi una docena de años limitó el desarrollo de la flota, pero a lo largo de la década de 1920 Ford continuó mejorando su Rangekeeper, que culminó en el Rangekeeper Mark 8 de 1930. Mark 8 se convirtió en el pináculo de los sistemas de control de incendios de la gran artillería naval. Este sistema se utilizó en los acorazados de clase Iowa y cañones controlados de 16 pulgadas de los cuatro buques desde el momento en que se pusieron en funcionamiento durante la Segunda Guerra Mundial hasta el bombardeo de las fuerzas iraquíes en febrero de 1991 durante la Guerra del Golfo Pérsico.


El puesto central de artillería de la batería del acorazado de Missouri, que albergaba el Rangekeeper Mark 8 y su equipo de computación analógica. Los cuadros de distribución montados en la pared permitieron cambiar torres y pistolas controladas por el sistema.

El Rangekeeper Mark 8 también proporcionó a los operadores la capacidad de ingresar datos manualmente en caso de una falla de conexión con los sensores; Además, podrían modificar los datos en función de la observación de disparos y hacer otros ajustes. La máquina incluso podría funcionar sin electricidad debido a la rotación manual del volante. El rumbo del objetivo y la distancia a él ahora se produjeron en forma de entrada eléctrica desde un dispositivo de control de fuego de artillería. La velocidad del barco se transmitió automáticamente en función de los datos de su sensor de velocidad y la velocidad del viento, directamente desde el anemómetro.

Después de "apuntar" el sistema al objetivo, Mark 8 transmitió señales a las torretas e instalaciones de las pistolas a través de la centralita para mantener su puntería correcta, y luego envió datos de estabilización para ajustar la elevación de las pistolas de acuerdo con el guiñada y el recorte del cabeceo de la embarcación. El propio Mark 8 tenía una red electromecánica. Consistía en cinco cajas de equipos informáticos analógicos, unidos entre sí en un solo módulo.

Mark 8 fue diseñado para armas grandes, que, debido a su tamaño y cadencia de tiro, se utilizaron solo para bombardear objetivos de superficie y tierra. Los cañones más pequeños, como el Iowa de 5 pulgadas y 38 pulgadas de doble calibre y muchos buques de guerra más pequeños de la Segunda Guerra Mundial, deberían haber podido apuntar a objetivos más rápidos y pequeños en tres dimensiones, simplemente en aviones. Esto requirió cálculos mucho más complejos, lo que llevó a la creación de la corona de la computación analógica electromagnética: la computadora de control de incendios Ford Instruments Mark 1.


La computadora de control de incendios Mark 1A es el poder de procesamiento de 3.000 libras de aleación de aluminio.

El Mark 1 pesaba más de 3,000 libras (1,360 kg). Al igual que Rangekeeper, recibió información de dispositivos de control de fuego de artillería: "torretas" con un accionamiento electromecánico y sensores ópticos (y radares posteriores) que transmitían continuamente información sobre el rumbo y la distancia a través de señales de sincronización eléctrica.

La computadora tuvo en cuenta el desplazamiento entre el dispositivo de control y los instrumentos que controla. También necesitaba calcular el tiempo de combustión de los fusibles mecánicos, de modo que el proyectil explotara cerca del objetivo. (Sin embargo, hubo varios casos en los tiroteos en la práctica en la década de 1980 cuando el Iowa golpeó directamente un objetivo aéreo remolcado, aunque sin querer).

Mark 1, considerado la computadora antiaérea más precisa durante la guerra, todavía tenía algunas limitaciones bastante serias. Para explotar proyectiles cerca de objetivos aéreos, utilizó fusibles mecánicos y pudo realizar cálculos para objetivos aéreos que se movían a una velocidad de menos de 400 nudos de velocidad horizontal relativa y 250 nudos de velocidad vertical relativa. Debido a esto, fue ineficaz contra los aviones a reacción y los ataques kamikaze.

Adios engranajes



La computadora Mark 48 para “ataques costeros” es un sistema eléctrico analógico con datos de entrada electromecánicos. Tenía una mesa de luz para tarjetas que proyectaba una posición y datos de destino desde abajo.

Entonces, ¿por qué nos estamos alejando del uso de estas obras maestras mecánicas para apuntar y socavar objetivos? A pesar de su alta precisión, las computadoras analógicas mecánicas tenían factores limitantes. Son pesados ​​y ocupan mucho espacio. Incluso cuando se automatizaron, aún necesitaban un gran personal. El par requerido para su funcionamiento, incluidos todos los servoaccionamientos que convierten las señales eléctricas en rotación, requería mucha electricidad: 16 kilovatios en la carga máxima.

Y a pesar de su fiabilidad general, los enemigos más serios de la electromecánica son la fricción y la fatiga mecánica. Proporcionar suficiente lubricación y controlar el desgaste de los engranajes de la computadora de control de incendios es una tarea mucho más seria que una visita al servicio de automóviles más cercano para cambiar el aceite. Además, existe el problema de "reprogramar" una computadora analógica. Si desea cambiar el rango de la entrada que reciben o cambiar la salida para que tengan en cuenta las nuevas variables, esto será como reconstruir una transmisión.

Para la mayoría de las aplicaciones para las que se crearon computadoras analógicas, esto no es un problema. Durante el siglo pasado, las variables de control de incendios no han cambiado mucho. La llegada de los aviones a reacción y la necesidad de proporcionar bombardeos de mayor alcance a objetivos terrestres condujeron a un nuevo ciclo de innovaciones en sistemas analógicos que duró hasta mediados de la década de 1970: sistemas analógicos eléctricos.

Estos sistemas de computación electrónica no eran digitales y realizaban las mismas funciones que los engranajes con levas, sino en forma de componentes electrónicos analógicos. Sin embargo, las partes electrónicas eran más y más fáciles de mantener que los sistemas mecánicos a gran escala, y permitían la integración con sistemas mecánicos utilizando salidas de señal similares a las señales de sincronización utilizadas para integrar otros sensores en un sistema común.

Durante la Segunda Guerra Mundial, Bell Labs desarrolló la primera computadora de control de incendios totalmente electrónica, la Bell Mark 8. Aunque nunca se puso en funcionamiento, algunas partes de su tecnología se combinaron con la Ford Mark 1, conocida como Mark 1A. Un sistema avanzado ayudó a rastrear y apuntar a aviones más rápidos.

Mark 1A y Rangekeeper Mark 8 también recibieron asistencia eléctrica adicional para apuntar a objetivos terrestres durante la Guerra de Corea. Equipo de ataque costero Mark 48Fue diseñado específicamente para realizar "fuego indirecto", disparando a objetivos que el barco no podía ver, según la información de un avión de observación, un observador de reconocimiento o (desde fines de la década de 1980) desde un avión no tripulado Pioneer. Utilizó el sistema de control de incendios existente para apuntar a un punto de referencia conocido (generalmente un elemento de alivio indicado en el mapa). Además, para determinar la ubicación del barco, podría usar la navegación por radio o satélite. Con base en la ubicación del barco y la ubicación del objetivo transmitido, el Mark 48 calculó los datos iniciales de control de fuego transmitiendo los datos del Rangekeeper o Mark 1A dependiendo de qué armas se usaron para bombardear el objetivo desafortunado.

Sistemas obsoletos


Cuatro acorazados clase Iowa fueron los únicos barcos que recibieron el Mark 48. Para el resto de la flota, la transición a los sistemas digitales de control de incendios comenzó a mediados de la década de 1970, cuando los diseñadores comenzaron a esforzarse por crear barcos más ligeros con más énfasis en la caza de submarinos y volar. aparato que disparar a otros barcos.


En la foto, el autor del artículo en su juventud, cuando era oficial naval a bordo del acorazado "Iowa" en 1988. La foto fue tomada junto a la ciudadela blindada en el puente, ubicada debajo del instrumento del sistema de control de incendios, parte del cual era Rangekeeper Mark 8.

En 1987 y 1988, serví a bordo del Iowa en la tripulación de cubierta, responsable nominalmente de 125 capataces y marineros no calificados. Muchas personas de mi división sirvieron la segunda torreta o una de las baterías de 5 pulgadas de la nave, por lo que mi interés en su dispositivo no estaba inactivo. A menudo me arrastraba por las cubiertas de la torreta, asegurándome de que todos estuvieran en los lugares correctos.

Durante mi estadía a bordo, disparamos más proyectiles de los cañones de 16 pulgadas del barco que los disparos de Iowa durante toda la Guerra de Corea. Y a pesar de todos los experimentos para agregar tecnología digital al sistema de armas, el único sensor instalado justo antes de que me embarque hizo que las armas fueran más precisas que nunca. Este es un sensor de radar Doppler capaz de detectar la velocidad de un proyectil al salir del cañón.

El radar se instaló después del retorno urgente a la operación del acorazado "New Jersey" (perteneciente al tipo "Iowa") a principios de la década de 1980, cuando enfrentó serios problemas con las armas de precisión durante la crisis de Beirut. Los problemas se relacionaron principalmente con el hecho de que las cargas de polvo en las bolsas utilizadas a bordo del barco se mezclaron y su perfil explosivo cambió.

Al medir con precisión la velocidad del proyectil al salir del arma durante el primer disparo con una cantidad específica de cargas de pólvora, el personal del control de incendios pudo comprender cómo sería con otros disparos y cambiar los datos de velocidad de entrada para la computadora en consecuencia. Personalmente, vi un par de veces ejemplos de esta precisión a bordo del Iowa, incluidos los ejercicios nocturnos con armas de fuego en la costa de Puerto Rico, cerca de Vieques. Los artilleros idealmente golpean objetivos metálicos con proyectiles de entrenamiento inactivos, e incluso pude ver a algunas millas de mí chispas volando cuando se golpean.

La evidencia definitiva de la precisión del acorazado se produjo durante la Guerra del Golfo cuando Missouri y Wisconsin utilizaron aviones no tripulados Pioneer como observadores para atacar las baterías de artillería y los bunkers iraquíes. Fue después del bombardeo de Missouri que las fuerzas iraquíes en la isla de Failaka se rindieron a un avión no tripulado lanzado desde Wisconsin, vinculando su bajo alcance con un inminente bombardeo.

El verdadero fin del control de incendios analógico no se debió a su precisión, sino a dólares y centavos comunes. Para los fondos que deben gastarse en llevar el Iowa al mar, la Armada podría equipar diez Zamvolts, que, además, podrían tomar un doble suministro de combustible en comparación con los tanques de acorazado. En las décadas de 1980 y 1990, la Armada pasó mucho tiempo justificando el uso continuo de los acorazados, a pesar de su costo, tratando de usar tecnologías como el Programa de Tecnología del Sistema de Armas de Armas Avanzadas o probando cargas de pólvora con más potencia. La explosión a bordo del Iowa en 1989, supuestamente causada por la combustión espontánea de pólvora hecha en la década de 1930, puso fin a tales experimentos.

Es irónico que la tecnología de computación analógica continúe existiendo en Zamvolte como parte de su sistema de control de incendios. Las computadoras analógicas electrónicas son parte de una estación de radar con una antena de matriz en fase, que proporciona misiles de puntería Zamvolta. Sin embargo, desde el punto de vista de los antiguos veteranos navales, una computadora de control no puede ser real si no tiene servos.

More articles:


All Articles